Когда электрически или химически управляемые каналы открываются и пропускают ионы, возникает электрический ток, который можно измерить. Совсем недавно в нескольких случаях удалось зарегистрировать ток, проходящий через одиночный канал, так что его открывание и закрывание можно было исследовать непосредственно. Обнаружилось, что время, на протяжении которого канал остается открытым, варьирует случайным образом, так как открывание и закрывание канала есть результат некоторых конформационных изменений белковой молекулы, встроенной в мембрану. Наличие случайности в воротных процессах проистекает из случайных столкновений молекул воды и других молекул со структурными элементами канала.
Кроме ионных насосов и каналов для выполнения основных функций нервной системы нейронам требуются и другие мембранные белки.
Одним из таких необходимых белков является фермент аденилатциклаза, который регулирует внутриклеточную концентрацию циклического аденозинмонофосфата (циклического АМФ). Циклические нуклеотиды, такие, как циклический АМФ, существенны для ряда клеточных функций, механизмы которых в деталях еще не изучены. Мембранный фермент аденилатциклаза, по-видимому, состоит из двух основных субъединиц - каталитической и регуляторной. Каталитическая субъединица способствует образованию циклического АМФ. Различные регуляторные субъединицы, которые, как полагают, физически обособлены от каталитических, могут связывать специфические молекулы (включая медиаторы, открывающие и закрывающие каналы) и тем самым контролировать содержание циклического АМФ в клетке. Регуляторные субъединицы разных типов называются в соответствии с теми молекулами, которые в физиологических условиях с ними связываются; одна из них, например, названа серотонинактивируемой аденилатциклазой. Известно, что аденилатциклаза и родственные ей мембранные ферменты выполняют в нейронах ряд регуляторных функций, и точный механизм их действия является сейчас объектом интенсивного исследования.
В процессе эмбриогенеза нервной системы клетка должна уметь узнавать другие клетки, чтобы рост каждой из них происходил в "правильном" направлении и заканчивался образованием "правильных" связей. Процесс узнавания клетки клеткой и формирования на основе этого соответствующей структуры определяется мембранными белками специального класса, связанными с особыми углеводами. Изучение белково-углеводных комплексов, ответственных за узнавание клеток, находится пока на ранней стадии.
Внутренние мембранные белки, о которых я здесь рассказываю, не распределяются по всей клеточной мембране однородно и не присутствуют в равных количествах во всех нейронах. Плотность и тип белка определяются потребностями клетки и различны для разных нейронов и для разных частей одного и того же нейрона. Так, плотность каналов определенного типа варьирует от 0 до 10000 на квадратный микрон. Аксоны обычно не имеют химически управляемых каналов, тогда как в постсинаптических мембранах дендритов плотность таких каналов лимитируется лишь упаковкой канальных молекул. В то же время мембраны дендритов обычно имеют мало электрически управляемых каналов, тогда как в мембранах аксонов их плотность может доходить в некоторых местах до 1000 каналов на квадратный микрон.
Внутренние мембранные белки синтезируются первоначально в теле нейрона и хранятся в мембране в небольших пузырьках. Для перемещения таких пузырьков от места их синтеза к месту их функционирования нейроны имеют специальную транспортную систему. Эта система, по-видимому, перемещает пузырьки небольшими скачками с помощью сократимых белков. Достигнув места своего назначения, белки встраиваются в поверхностную мембрану, где и функционируют до тех пор, пока не будут удалены оттуда и не распадутся внутри клетки. Точно не известно, каким образом клетки решают, куда какой мембранный белок поместить. Также неизвестен и механизм, который регулирует синтез, встраивание и разрушение мембранных белков. Метаболизм мембранных белков составляет одну из центральных проблем биологии клетки.
Каким образом свойства различных мембранных белков, которые я здесь обсуждаю, связаны с функцией нейрона? Чтобы ответить на этот вопрос, вернемся к рассмотрению нервного импульса и проанализируем более детально те молекулярные процессы, которые лежат в основе его генерации и распространения. Как мы видели, внутренность нейрона имеет отрицательный потенциал в 70 мВ относительно наружной среды. Этот "потенциал покоя" является следствием ионных градиентов, создаваемых натриевым насосом, и присутствием в клеточной мембране некоторого класса постоянно открытых каналов, избирательно проницаемых для ионов калия. Насос выталкивает наружу ионы натрия, обменивая их на ионы калия, и делает внутриклеточную среду в 10 раз богаче ионами калия по сравнению с наружной средой. Калиевые каналы мембраны позволяют ионам калия, находящимся в непосредственной близости от мембраны, выходить из клетки совершенно свободно. В состоянии покоя проницаемость мембраны для ионов натрия низка, так что не существует почти никакого встречного потока ионов натрия из внешней среды во внутреннюю, несмотря на то что внешняя среда в 10 раз богаче ионами натрия, чем внутренняя. В связи с этим поток калия создает дефицит положительных зарядов на внутренней поверхности клеточной мембраны и избыток положительных зарядов на ее наружной поверхности. В результате возникает разность потенциалов в 70 мВ, причем внутренность клетки имеет отрицательный потенциал по отношению к наружной среде.
Распространение нервного импульса определяется присутствием в мембране нейрона электрически управляемых натриевых каналов, открывание и закрывание которых ответственно за потенциал действия. Каковы характеристики этих важных канальных молекул? Хотя с химической точки зрения натриевый канал еще не достаточно хорошо изучен, известно, что он является белком с молекулярным весом в диапазоне от 250000 до 300000. Диаметр поры этого канала составляет 0,4-0,6 нм; через такую пору могут проходить ионы натрия, связанные с молекулами воды. На поверхности канала имеется много заряженных групп, размещенных в критических точках. Эти заряды обусловливают наличие большого электрического дипольного момента, который меняется по направлению и по величине в соответствии с конформационными изменениями канала, сопровождающими переход из закрытого состояния в открытое.
Поскольку поверхностная мембрана клетки очень тонка, трансмембранная разность потенциалов в 70 мВ создает внутри покоящейся мембраны сильное электрическое поле порядка 100 кВ/см. Подобно тому как магнитные диполи имеют тенденцию ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля, электрические диполи белка натриевого канала стремятся встать параллельно линиям электрического поля мембраны. Изменения напряженности электрического поля могут переводить канал из закрытого состояния в открытое. По мере того как под влиянием входящих ионов натрия внутренняя поверхность мембраны становится все более положительной, натриевые каналы все дольше находятся в открытом состоянии. Процесс открывания натриевых каналов под влиянием изменения потенциала мембраны называют активацией натриевых каналов.
Этот процесс останавливается благодаря развитию другого процесса, названного натриевой инактивацией. Трансмембранная разность потенциалов, явившаяся причиной открывания натриевых каналов, затем переводит их в особое закрытое конформационное состояние, отличное от состояния, характерного для канала в покое. Второе закрытое состояние, названное состоянием инактивации, развивается медленнее, чем процесс активации, так что до того, как каналы закроются под влиянием инактивации, они остаются короткое время открытыми. В состоянии инактивации каналы пребывают несколько миллисекунд, а затем возвращаются в нормальное состояние покоя.
Полный цикл активации и инактивации в норме включает в себя открывание и закрывание тысяч натриевых каналов. Как можно узнать, с чем связано увеличение общей мембранной проницаемости: с открыванием и закрыванием некоторого числа каналов по закону "все или ничего" или с работой каналов, у каждого из которых проницаемость может меняться градуально? Частичный ответ на этот вопрос был получен с помощью новой методики, которая соотносит флуктуации мембранной проницаемости с вероятностным характером конформационных изменений канальных белков. Можно много раз вызывать открывание канала и вычислить среднюю проницаемость за какое-то время, а также точные ее значения в каждом испытании. Флуктуации точных значений проницаемости относительно среднего значения укладываются в 10% или около того. Анализ этих флуктуации показывает, что натриевые каналы работают по закону "все или ничего" и что открывание каждого канала увеличивает проводимость мембраны на 8-10-12 Ом-1. Одним из принципиальных моментов для понимания работы нейрона является необходимость развития сколько-нибудь полной теории, которая опишет поведение натриевых каналов и свяжет его с молекулярной структурой канального белка.
